大摻量粉煤灰混凝土碳化深度預測模型探討

杜應吉，黃春霞

大摻量粉煤灰混凝土碳化深度預測模型探討

杜應吉，黃春霞

（西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100）

大摻量粉煤灰混凝土由于具有諸多優良性能，在工程實踐中得到廣泛應用，但對于其碳化等耐久性能研究不夠深入。通過對目前普通混凝土碳化深度預測比較典型模型進行分析，并根據大摻量粉煤灰混凝土快速碳化實測數據，計算出適應于大摻量粉煤灰混凝土的碳化系數Dec，初步建立了適合于大摻量粉煤灰混凝土碳化深度的預測模型。應用此模型對工程碳化數據進行預測驗證，結果表明：模型A適應于粉煤灰摻量≥60%的碳化深度預測；模型B適應于粉煤灰摻量＜60%的碳化深度預測，且誤差均在10%以下。

大摻量粉煤灰；水膠比；預測模型；碳化深度

1 概 述

在一般大氣環境條件下，混凝土碳化是導致鋼筋脫鈍銹蝕的重要前提。因此，建立一個合理準確的混凝土碳化深度模型，是研究鋼筋銹蝕程度、預測結構使用壽命的關鍵［1］。隨著粉煤灰取代水泥技術的逐漸成熟，大摻量粉煤灰混凝土已經得到廣泛應用。以往有很多學者對混凝土的碳化深度預測進行了深入的研究，并建立了實用模型。但這些模型很少考慮粉煤灰對混凝土碳化深度的影響，而不能直接應用于大摻量粉煤灰混凝土碳化深度的預測。因此，基于大摻量粉煤灰混凝土快速碳化試驗結果建立碳化深度預測模型很有意義。

本文在對目前比較典型的普通混凝土碳化預測模型進行深入分析的基礎上，根據大摻量粉煤灰混凝土快速碳化試驗結果，計算出適應于大摻量粉煤灰混凝土的碳化系數Dec，初步建立了適合于大摻量粉煤灰混凝土碳化深度的預測模型。

2 大摻量粉煤灰混凝土快速碳化試驗

（1）試驗原材料：

水泥為寧夏賽馬水泥廠生產的強度等級為42．5的普通硅酸鹽水泥；

粉煤灰為寧夏大壩電廠生產的Ⅰ級粉煤灰；

粗骨料為銀川鎮北堡生產的5～20 mm碎石；

細骨料為銀川鎮北堡生產的細度模數為3．1的水洗砂；

高效減水劑為寧夏靈武鑫海實業總公司生產的NF－5A型減水劑，摻量為0．5%～1．0%；

引氣劑為咸陽金星混凝土外加劑有限公司生產的JOP型松香皂類引氣劑，按1%配成溶液摻加。

（2）試驗配合比見表1。

（3）試驗結果見表2。

表1 混凝土碳化試驗配合比Tab le 1 M ix p roportion of concrete used by carbonation test

表2 混凝土碳化試驗結果Table 2 Carbonation depths of concrete

3 混凝土碳化深度的理論模型及分析

3．1 混凝土典型的碳化模型

目前混凝土碳化研究成果很多，但對于大摻量粉煤灰混凝土的碳化研究成果還較少。在混凝土碳化預測模型中目前比較公認的模型是形如的形式，由于α的大小取決于工程環境、水膠比、水泥用量、溫濕度、粉煤灰摻量等眾多因素，因此，不同學者（如牛荻濤、張譽等人）對于模型中的碳化系數α給出了不同的函數或公式。基于以上分析，對于大摻量粉煤灰混凝土可以利用混凝土碳化的典型模型形式，僅根據實測數據對其碳化系數進行修正即可。目前比較典型的碳化模型有：

（1）根據Fick擴散定律和傳質原理建立的一維混凝土碳化深度的計算公式［2］

式中：x0為碳化深度；Dec為CO2在混凝土中的擴散系數；c0為CO2的濃度；m0為單位體積混凝土吸收CO2的能力；t為碳化時間。

（2）張譽、蔣利學在公式（1）的基礎上，結合試驗并通過理論分析，建立碳化深度實用計算模型［1］

式中：RH為試驗環境相對濕度；W／C為水灰比；C為水泥用量；v0為CO2的體積分數；t為碳化時間（d）。

（3）對于大摻量粉煤灰混凝土，劉斌等人通過對試驗數據二元線性回歸，得出大摻量粉煤灰混凝土28 d碳化深度與水膠比、粉煤灰摻量關系的線性回歸方程［3］

式中：W／B為水膠比；β為粉煤灰摻量（%）；xc為碳化深度（mm）。

3．2 混凝土碳化模型的驗證和修正

3．2．1 利用模型式（3）的碳化深度預測驗證

根據實際拌合時的混凝土水膠比W／B、粉煤灰摻量F以及最終的碳化試驗結果，采用典型模型式（3）進行驗證。結果見表3。

表3 計算結果與試驗結果的比較Table 3 The com parison between com puting result and test result

從表中可以看出：該模型對于粉煤灰摻量≥60%的混凝土計算誤差值＜10%，而對于粉煤灰摻量＜60%的混凝土計算誤差值比較大。結果表明，典型模型式（3）適應于粉煤灰摻量≥60%的大摻量混凝土。

3．2．2 對典型模型式（1）和式（2）的修正

模型式（1）是建立在理論基礎上的模型，其系數不好確定，應用起來不太方便，而模型式（2）是根據模型式（1）建立起來的，其物理意義相近。在文獻［1］中，作者已利用文獻［4］中快速碳化試驗數據對模型式（2）進行檢驗，其檢驗結果比一般經驗式具有較強的理論依據，且便于應用，準確性也比較高［1］。因此，模型式（2）具有較廣泛的適應性，本文試圖在模型式（2）的基礎上進行修正，以期可將該式用于粉煤灰混凝土中。

由于本文旨在建立大摻量粉煤灰對混凝土碳化深度的影響關系，而模型式（2）未能體現，因此，通過以下推導，對模型式（2）進行修正，并得出大摻量粉煤灰混凝土碳化深度的預測模型。

由如下公式［1］

發現粉煤灰的加入僅對Dec項構成影響，而

將試驗中不同水膠比（W／B）的碳化結果代入式（5），發現當粉煤灰摻量≤60%時，Dec與成正比，線性關系見圖1，并得到與關系的趨勢線方程

式中：W／C為水灰比；RH為試驗環境相對濕度。

圖1 ［（W／C－0．53）］（1－RH）2．2與Dec的關系Fig．1 Plot of［（W／C－0．53）］（1－RH）2．2versus Dce

根據氣體狀態方程，將CO2的體積分數v0換算成濃度［CO2］0［1］：

將式（6）、式（7）代入式（4），得到

由粉煤灰超量取代水泥的公式得

式中：F為粉煤灰摻量；δ為超量取代系數，本次試驗中，δ＝1．3；β為粉煤灰摻量百分比（%）；C為水泥用量。

將式（9）代入式（8），得大摻量粉煤灰混凝土碳化深度與濕度、粉煤灰摻量、CO2濃度及時間的關系式

利用本次快速碳化試驗數據對原模型式（2）及修正后的模型式（10）進行檢驗，檢驗結果分別見表4、表5。

表4 式（2）計算結果與試驗結果的比較Table 4 The comparison between computing result and test result in formula（2）

表5 式（10）計算結果與試驗結果的比較Table 5 The comparison between computing result and test result in formula（10）

由表中可以看出：模型式（2）雖然經多次試驗驗證，適用于預測混凝土的碳化深度，但用于本次大摻量粉煤灰混凝土的計算時，除粉煤灰摻量為0的第一組外，誤差均大于70%；用模型式（10）計算時，當0＜粉煤灰摻量≤60%時，該模型的誤差均小于10%，而當粉煤灰摻量＞60%或粉煤灰摻量＝0時，該模型計算的誤差比較大。結果表明：典型模型式（3）適應于0＜粉煤灰摻量≤60%的大摻量混凝土。

4 結 論

根據大摻量粉煤灰混凝土快速碳化實測數據的驗證結果表明：模型式（11）適用于粉煤灰摻量β≥60%的混凝土碳化深度計算，而模型式（12）適用與粉煤灰摻量0＜β＜60%的混凝土碳化深度計算。需要指出的是，該模型僅供粉煤灰混凝土碳化深度研究和預測參考，其普適性還有待更多的補充試驗進一步驗證。

通過以上計算分析，初步得到了一組適合于預測粉煤灰混凝土碳化深度的預測模型：

［1］ 張 譽，蔣利學．基于碳化機理的混凝土碳化深度實用數學模型［J］．工業建筑，1998，28（1）：16－19．（ZHANG Yu，JIANG Li-xue．A Practical Mathematical Model for Carbonization Depth Based on the Carbonization Mechanism［J］．Industrial Building，1998，28（1）：16－19．（in Chinese））

［2］ 屈文俊，陳道普．混凝土碳化的隨機模型［J］．同濟大學學報（自然科學版），2007，35（5）：577－581．（QU Wen-jun，CHEN Dao-pu．The Random Model for Car-bonization of Concrete［J］．Journal of Tongji（natural sci-ence），2007，35（5）：577－581．（in Chinese））

［3］ 劉 斌．大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能［J］．混凝土，2003，（3）：44－48．（LIU Bin．The Carbonization of High Volume Fly Ash Concrete［J］．Concrete，2003，（3）：44－48．（in Chinese））

［4］ PAPADAKIS V G．Fundamental Modeling and Experi-mental Investigation of Concrete Carbonation［J］．ACI Materials Journal，1991，（88）：363－373．

［5］ 劉 海，牛狄濤．混凝土結構碳化耐久性的分項系數設計法［J］．建筑結構學報，2008，（增刊）：42－46．（LIU Hai，NIU Di-tao．The Subentry Coefficient Methed for the Durability of Concrete［J］．Journal of Building Structures，2008，（Sup．）：42－46．（in Chinese））

［6］ 牛狄濤，董振平，浦聿修．預測混凝土碳化深度的隨機模型［J］．工業建筑，1999，29（9）：41－45．（NIU Di-tao，DONG Zhen-ping，PU Yu-xiu．The Stochastic Model for Predict the Carbonization Depth of Concrete［J］．In-dustrial Building，1999，29（9）：41－45．（in Chinese））

［7］ 金偉良，呂清芳，趙羽習，等．混凝土結構耐久性設計方法與壽命預測研究進展［J］．建筑結構學報，2007，28（1）：7－13．（JIN Wei-liang，LV Qing-fang，ZHAO Yu-xi，et al．The Study on the Durability Design Method and the Service Life Prediction of Concrete［J］．Journal of Building Structures，2007，28（1）：7－13．（in Chi-nese））

［8］ 牛狄濤，陳亦奇，于 封．混凝土結構的碳化模式與碳化壽命分析［J］．西安建筑科技大學學報，1995，27（4）：365－369．（NIU Di-tao，CHEN Yi-qi，YU Feng．The Analysis on Carbonization Pattern and Carbonization Life of Concrete［J］．J．of Xi’an Univ．of Arch＆Tech，1995，27（4）：365－369．（in Chinese））

［9］ 牛狄濤，石玉釵，雷怡生．混凝土碳化的概率模型及碳化可靠性分析［J］．西安建筑科技大學學報，1995，27（3）：252－256．（NIU Di-tao，SHI Yu-chai，LEI Yi-sheng．The Analysis for the Probabilistic Model and the Reliability Analysis of the Carbonization［J］．J．of Xi’an Univ．of Arch＆Tech，1995，27（3）：252－256．（in Chi-nese））

［10］SL352－2006，水工混凝土試驗規程［S］．（SL352－2006，The Experiment Specification of Hydraulic Concrete［S］．（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

Study on Prediction M odel for Carbonization Depth of High Volume Fly Ash Concrete

DU Ying-ji，HUANG Chun-xia
（College ofWater Resource and Architectural Engineering，Northwest A＆F University，Yangling 712100，China）

Being endowed with various fine properties，high volume fly ash concrete has been extensively used in engineering．Nevertheless，researches on its durability such as carbonization have not been conducted in depth．In this paper，the existing predictionmodels on concrete carbonation depth are analysed，and the carbonization coeffi- cientbased on a quantity of real data isworked out，then a predictionmodel for carbonization depth of high vol- ume fly ash concrete has been primarily established．The model is further applied to the prediction verification of engineering carbonization data．The result reveals thatmodel A is fit for predicting the carbonization depth when the volume fly ash ismore than or equal to 60%，whereasmodel B is fit for predicting the carbonization depth when the volume fly ash is less than 60%，with an error rate less than 10%．

high volume fly ash；water-binder ratio；carbonization depth；prediction model

TU528．2

A

1001－5485（2011）03－0068－04

2010-04-02

國家“十一五”科技支撐計劃重點項目（2006BAD11B03）

杜應吉（1963-），男，陜西咸陽人，工學博士，教授，主要從事水工結構工程的研究工作，（電話）13186171963（電子信箱）dyj＠nwsuaf．edu．cn。